JP4887597B2 - Solid polymer fuel cell, gas diffusion layer member and method for producing the same - Google Patents

Solid polymer fuel cell, gas diffusion layer member and method for producing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池、ガス拡散層用部材およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電解質としてイオン伝導性の固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が開発され、家庭用の定置用電源や電気自動車の電源、あるいは小型携帯機器の電源として注目されている。通常、固体高分子型燃料電池では、一対の電極(単セル)による起電力が小さいので、複数の単セルを直列に接続して高電圧を得る構造となっている。
【0003】
複数の単セルを順次接続するための構造の一つとして、単セルを厚さ方向に積み重ねた、いわゆるスタック型の燃料電池がある(たとえば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−78028号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このようなスタック型の燃料電池では、積み重ねた各単セル間にセパレータ板が設けられる。このセパレータ板には、ガス拡散層に燃料(水素)や空気(酸素)を供給するための溝が必要であり、この溝を設けるために、セパレータ板にはある程度の厚さが必要となる。このため、セパレータ板の体積、重量によって、燃料電池の小型軽量化が妨げられるという問題がある。
【0006】
さらに、ガス拡散層を構成するカーボンシートなどの多孔体が、強度が低く、変形しやすいという性質を有しているため、取り扱いにくく、燃料電池の製造に困難を伴うという問題がある。
【0007】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたもので、生産性に優れた小型軽量の燃料電池を実現することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられるガス拡散層用部材を以下のようにするものである。
すなわち、本発明のガス拡散層用部材は、セパレータ板と、三次元網目構造を有する導電性多孔体からなるシート状のガス拡散電極とを有し、第1の流体を通過させるための第1流路と、第2の流体を通過させるための第2流路とが設けられており、セパレータ板の表面にガス拡散電極が配置されている。そして、セパレータ板に、ガス拡散電極に流体を通過させるための第3流路が該ガス拡散電極に対向するように形成されており、これらガス拡散電極およびセパレータ板の周囲を覆う樹脂枠が、一体に設けられていることを特徴とするものである。
【0009】
なお、固体高分子型燃料電池に用いられる代表的な燃料としては水素ガスとメタノール水溶液の2種類があり、メタノール水溶液を用いる場合には導電性多孔質体を流れる燃料は液体であるが、この部分は慣用的にガス拡散層と呼ばれている。ここでは、液体燃料を用いる場合も含めて、慣用に従いガス拡散層と呼んでいるのであって、気体燃料用に限定するものではない。
また、樹脂枠をなす樹脂材料は、いわゆる合成樹脂に限らずエラストマーなどのゴム材なども含むものとする。
【0010】
本発明のガス拡散層用部材によれば、ガス拡散電極がガス拡散層と電極とを兼ねるので、部品点数を削減することができる。また、樹脂枠により一体となっているので取り扱いが容易であり、燃料電池を製造する際のガス拡散電極の破損が防止され、生産性のよい燃料電池を実現することができる。また、樹脂枠によりガス拡散電極の側面が覆われているので、側面に開口している開放気孔が封止され、燃料漏れを効果的に防止することができる。さらに、流体(燃料や空気など)の流路が、導電性多孔体のガス拡散電極中に形成されるので、薄いセパレータ板を用いることができ、燃料電池の小型軽量化を図ることができる。また、本発明のガス拡散層用部材は、第1の流体を通過させるための第1流路と、第2の流体を通過させるための第2流路とが設けられているので、この構成により、各ガス拡散電極に対して、ガス拡散層用部材の外部から、それぞれ異なる流体(燃料および空気)を通過させて電極反応を生じさせることができる。また、本発明のガス拡散層用部材は、前述したガス拡散電極中の流路のみならずセパレータ板に第3流路が形成されているので、ガス拡散電極中の流路が厚さ方向の短いものとなり、供給圧を高めなくても流体を円滑に供給することができる。また、ガス拡散電極の通気性が低く多孔体内部の連通気孔だけでは燃料あるいは酸素の供給・排出が困難である場合にも、セパレータ板の表面に形成された溝形状等の第3流路を用いて円滑に流体を流すことができ、燃料電池における発電量を安定させることができる。
【0011】
また、本発明のガス拡散層用部材において、第1および第2の流路は、樹脂枠に形成されていることが好ましい。さらに、第1および第2流路が、ガス拡散電極に接続し樹脂枠を貫通して設けられることがより好ましい。
【0012】
れら第1および第2流路は、種々の形状で設けられるが、その形成箇所が樹脂枠であれば加工が容易であり、一般に高価である導電性多孔体に加工形成するよりもコスト面で有利であるとともに、電極の導電効率に関わる多孔体の表面を有効に利用することができる。さらに、これら第1および第2の流路を、樹脂枠を貫通させて設けることにより、ガス拡散層用部材を積層して燃料電池を構成する場合に、厚さ方向に連通する流路を容易に形成することができ、構造が単純で生産性のよい燃料電池を実現することができる。
【0013】
さらに、前記第3流路は溝形状をなして前記セパレータ板の両面にそれぞれ形成されており、前記両面のうち一方の面に形成された第3流路と他方の面に形成された第3流路とが、互いに垂直となるように延びていることが好ましい
【0014】
本発明のガス拡散層用部材は、導電性多孔体およびセパレータ板をインサート部品として樹脂材料を射出するインサート成形により製造することができる。
インサート成形を採用することにより、導電性多孔体(ガス拡散電極)と樹脂枠とが接続される部分において、導電性多孔体の表面に開口する気孔中に溶融樹脂が入り込んで固化するので、アンカー効果により導電性多孔体と樹脂枠とが強固に接続され、強度が高いガス拡散層用部材が製造できる。
【0015】
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、請求項1からのガス拡散層用部材が厚さ方向に複数枚重ねられ、各ガス拡散層用部材間に固体高分子電解質からなる電解質層が配置されているとともに、この電解質層と各ガス拡散層用部材のガス拡散電極との界面に設けられた触媒層を備えることを特徴とするものである。
【0016】
この構成により、本発明の固体高分子型燃料電池は、2枚のガス拡散層用部材の間に電解質層および触媒層を配置するだけの単純な部品構成で、単セルを形成することができる。また、ガス拡散層用部材を複数枚重ねて各部材間にそれぞれ電解質層を配置すれば、複数の単セルを積層したスタック型の燃料電池を容易に形成することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の前提となる参考例について、図面を参照して説明する。
図1に、本参考例のガス拡散層用部材10,50,60を用いた固体高分子型の燃料電池の要部を示す。この燃料電池は、4組の単セル30が積層された、いわゆるスタック型の構造を有していて、燃料(たとえばメタノール水溶液)と酸化剤としての空気を供給されることにより電極反応を生じて電力を発生させることができる。
【0018】
ガス拡散層用部材10は、図1に示すように、厚さ方向にガス拡散電極11,11およびセパレータ板12が積層され、その面方向周囲を覆う樹脂枠13が一体に形成された構造となっている。そして、このガス拡散層用部材10には、図1および図2に示すように、第1の流体(燃料)を通過させるための第1流路10a,10bと、第2の流体(空気)を通過させるための第2流路10c,10dとが、樹脂枠13を貫通して設けられている。
なお、図2は図1におけるII−II線に沿う矢視図、図1は図2におけるI−I線に沿う断面矢視図である。
【0019】
ガス拡散電極11は、三次元網目構造を有する導電性多孔体からなる薄板であり、表面に開口する気孔が各方向に連通していることにより通気性を有し、軽量で表面積が大きいという特性を有している。このガス拡散電極11は、略長方形の電極本体11aの端部に、第1流路10a,10bおよび第2流路10c,10dのいずれかに接続するための接続部11b,11bが、タブ状に設けられた形状となっている。
【0020】
各ガス拡散電極11,11は、電極本体11aが重なるように、かつ接続部11b、11bが互いに重ならないように配置されている。そして、樹脂枠13を貫通する第1流路10a,10bおよび第2流路10c,10dのうちのいずれかと、接続部11bとが接続している。つまり、ガス拡散電極11には、電極本体11aに設けられた2カ所の接続部11bに、異なる流路がそれぞれ接続している。
【0021】
したがって、第1流路10aに供給された燃料は、ガス拡散電極11の連通気孔中を通過して、第1流路10bへと流出する。また、第2流路10cに供給された空気は、ガス拡散電極11の連通気孔中を通過して、第流路10dへと流出する。
【0022】
セパレータ板12は、空気や燃料となるガスまたは液体を通過させず、導電性を有する、たとえばカーボン板や耐食性のある金属板などで、少なくとも両ガス拡散電極11,11に重なるH字状よりも大きく形成されている。そして、ガス拡散電極11,11間に配置されることにより、各電極間における流体の流通を阻止しつつ、図1に示すように、各ガス拡散電極11,11が形成する単セル30同士を直列に接続している。
なお、ガス拡散電極11とセパレータ板12とは、拡散接合により密着固定させることができる。
【0023】
樹脂枠13は、厚さ方向に積層されたガス拡散電極11、セパレータ板12、ガス拡散電極11の面方向周囲を覆って一体に設けられており、その両面が各ガス拡散電極11,11の表面に連なる同一面となっている。この樹脂枠13は、ガス拡散電極11およびセパレータ板12を埋め込まれた略直方体に形成され、その四隅に、厚さ方向に貫通するボルト挿通孔10eが設けられている。ボルト挿通孔10eには、複数枚のガス拡散層用部材10および電解質層20を多層に積層した際にこれらを固定するためのタイボルトを挿通することができる。
【0024】
また、燃料電池の両端面には、ガス拡散層用部材50,60がそれぞれ配置されている。
ガス拡散層用部材50は、図1および図3に示すように、厚さ方向にガス拡散電極51およびセパレータ板52が積層され、その面方向周囲を覆う樹脂枠53が一体に形成された構造となっている。そして、このガス拡散層用部材50には、ガス拡散電極51に第1の流体(燃料)を通過させるための第1流路50a,50bと、第2の流体(空気)を通過させるための第2流路50c,50dとが、樹脂枠53を貫通して設けられている。
【0025】
ガス拡散電極51は、ガス拡散電極11と同じく三次元網目構造を有する導電性多孔体からなる薄板であり、表面に開口する気孔が各方向に連通していることにより通気性を有し、軽量で表面積が大きいという特性を有している。このガス拡散電極51は、略長方形の電極本体51aの端部に、第1流路50a,50bのいずれかに接続するための接続部51b,51bが、タブ状に設けられた形状となっている。
したがって、流路50aに供給された燃料は、ガス拡散電極51の連通気孔中を通過して、流路50bへと流出する。
【0026】
セパレータ板52は、セパレータ板12と同じく空気や燃料となるガスまたは液体を通過させず、導電性を有する、たとえばカーボン板や耐食性のある金属板などで、少なくともガス拡散電極51の表面を覆うよりも大きく形成されている。そして、ガス拡散電極51に接して配置されることにより、ガス拡散電極51から電池外部への流体の流通を阻止している。
なお、ガス拡散電極51とセパレータ板52とは、拡散接合により密着固定させることができる。
【0027】
樹脂枠53は、厚さ方向に積層されたガス拡散電極51およびセパレータ板52の面方向周囲を覆って一体に設けられており、その一面がガス拡散電極51の表面に連なる同一面となっている。この樹脂枠53は、ガス拡散電極51およびセパレータ板52を埋め込まれた略直方体に形成され、その四隅に、厚さ方向に貫通するボルト挿通孔50eが設けられている。ボルト挿通孔50eには、複数枚のガス拡散層用部材10,50および電解質層20を多層に積層した際にこれらを固定するためのタイボルトを挿通することができる。
【0028】
また、ガス拡散層用部材60は、図1および図4に示すように、厚さ方向にガス拡散電極61およびセパレータ板62が積層され、その面方向周囲を覆う樹脂枠63が一体に形成された構造となっている。そして、このガス拡散層用部材60には、ガス拡散電極61に第1の流体(燃料)を通過させるための第1流路60a,60bと、第2の流体(空気)を通過させるための第2流路60c,60dとが、樹脂枠63を貫通して設けられている。
【0029】
ガス拡散電極61は、ガス拡散電極11,51と同じく三次元網目構造を有する導電性多孔体からなる薄板であり、表面に開口する気孔が各方向に連通していることにより通気性を有し、軽量で表面積が大きいという特性を有している。このガス拡散電極61は、略長方形の電極本体61aの端部に、第2流路60c,60dに接続するための接続部61b,61bが、タブ状に設けられた形状となっている。
したがって、流路60cに供給された空気は、ガス拡散電極61の連通気孔中を通過して、流路60dへと流出する。
【0030】
セパレータ板62は、セパレータ板12,52と同じく空気や燃料となるガスまたは液体を通過させず、導電性を有する、たとえばカーボン板や耐食性のある金属板などで、少なくともガス拡散電極61の表面を覆うよりも大きく形成されている。そして、ガス拡散電極61に接して配置されることにより、ガス拡散電極61から電池外部への流体の流通を阻止している。
なお、ガス拡散電極61とセパレータ板62とは、拡散接合により密着固定させることができる。
【0031】
樹脂枠63は、厚さ方向に積層されたガス拡散電極61およびセパレータ板62の面方向周囲を覆って一体に設けられており、その一面がガス拡散電極61の表面に連なる同一面となっている。この樹脂枠63は、ガス拡散電極61およびセパレータ板62を埋め込まれた略直方体に形成され、その四隅に、厚さ方向に貫通するボルト挿通孔60eが設けられている。ボルト挿通孔60eには、複数枚のガス拡散層用部材10,50,60および電解質層20を多層に積層した際にこれらを固定するためのタイボルトを挿通することができる。
【0032】
図1に示す燃料電池において、ガス拡散層用部材10,50,60のガス拡散電極11,51,61に密着して配置される電解質層20は、たとえばフッ素樹脂系の高分子電解膜で形成される。電解質層20は、膜中では水素イオンが移動可能である反面、電子を通過させないという性質を有している。電解質層20には、ガス拡散層用部材10,50,60と重ね合わせたときに第1流路10a,10b,50a,50b,60a,60bおよび第2流路10c,10d,50c,50d,60c,60dに連通する貫通孔20aが形成されている。
【0033】
この電解質層20とガス拡散層用部材10,50,60のガス拡散電極11,51,61との界面(本参考例ではガス拡散電極11,51,61の表面側)に、触媒層31が設けられている。
触媒層31は、白金系触媒微粒子を担持させたカーボン粒子を含む高分子電解質溶液をガス拡散電極11,51,61の表面に塗布して形成されている。触媒層31と電解質層20とは、ホットプレスにより密着固定することができる。また、電解質層20と各ガス拡散層用部材10,50,60の樹脂部13,53,63とは、超音波接合により密着固定することができる。
なお、触媒層31は、電解質層20とガス拡散電極11,51,61との間に介在していればよく、本参考例ではガス拡散電極11,51,61の表面部分に設けることとするが、電解質層20の表面部分に形成することもできる。
【0034】
図1に示す燃料電池は、以上説明したガス拡散層用部材10,50,60と、その間に配置した電解質層20とを積層し、その両側を通気性および導電性のない遮蔽板としてガス拡散層用部材50,60に備えられたセパレータ板52,62で閉じた構成となっている。樹脂枠13,53,63により一体部品となっているガス拡散層用部材10,50,60は、取り扱いやすく破損しにくいので、破損による無駄が生じにくく、自動機によるハンドリングも容易で、生産性のよい燃料電池を実現させることができる。
【0035】
この燃料電池では、ガス拡散層用部材10,50,60および電解質層20を積層したことにより、第1流路10a,50a,60aおよび貫通孔20aが連通して形成された燃料側供給路Fと、第1流路10b,50b,60bおよび貫通孔20aが連通して形成された燃料側排出路(図示せず)と、第2流路10c,50c,60cおよび貫通孔20aが連通して形成された空気側供給路Aと、第2流路10d,50d,60dおよび貫通孔20aが連通して形成された空気側排出路(図示せず)とが形成されている。
【0036】
この燃料電池において、燃料側供給路Fから燃料(ここではメタノール水溶液)を送り込むと、第1流路10a,50a,60aを通じて各ガス拡散電極(燃料極)11,51に燃料が供給される。この燃料がガス拡散電極11,51中を通過する間に、触媒層31の界面上で触媒反応により燃料中の水素がイオン化し、残りの流体(未反応部分)は第1流路10b,50bを通じて燃料側排出路から排出される。
【0037】
一方、燃料極11,51に対向する各ガス拡散電極(空気極)11,61に対しては、空気側供給路Aから第2流路10c,50c,60cを通じて空気が供給される。燃料極11,51でイオン化した水素は、電解質層20を移動して空気極11,61に到達し、電極反応により空気極11,61の触媒層31の界面上で空気中の酸素と反応して水を生成する。この水は第2流路10d,60dを通じて空気側排出路から排出される。また、電極反応後の空気の残ガス(未反応部分)も、第2流路10d,60dを通じて空気側排出路から排出される。
【0038】
水素のイオン化により発生した電子は、セパレータ板12を通じて燃料極(ガス拡散電極)11から空気極(ガス拡散電極)11へと移動する。この電子の移動により、燃料電池は燃料極51を陽極、空気極61を陰極として、電気エネルギを発生させることができる。
【0039】
ところで、ガス拡散電極11,51,61は、この固体高分子型燃料電池において、3次元網目構造による通気性および導電性を備えることによりガス拡散層と集電板とを兼ねるシート状部材である。このガス拡散電極11,51,61を形成する導電性多孔体としては、カーボンペーパー、カーボンクロスといったカーボン製多孔体を用いてもよいが、ガス拡散性と導電性がともに良好な、三次元網目構造を有する金属製のもの、たとえば金属粉末を焼結したシート、金属不織布、積層メッシュ等を用いることが望ましい。なかでも、気孔率や厚さを適宜調節でき、使用できる原料金属も多様である金属粉末を焼結したシートは、このガス拡散層用部材の導電性多孔質体として、より好適である。
【0040】
さらにまた、金属粉末をバインダ、溶媒を加えて混練したものに発泡剤を混ぜて発泡性スラリーとし、発泡成形後に焼結して得られる発泡金属焼結シートでは、高い気孔率までも製造可能であることから、より好ましい。
参考例では、気孔率や厚さを適宜調節でき、使用できる原料金属も多様である発泡金属焼結シートを採用している。
【0041】
ここで、発泡金属焼結シートの製造方法について図5を参照して説明する。
発泡金属焼結シートは、金属粉末をバインダ、溶媒を加えて混練したものに発泡剤を混ぜて発泡性スラリーSとし、発泡成形後に焼結して得られるものである。
【0042】
スラリーSは、導電性を有する金属粉末、発泡剤(ヘキサン)、有機バインダ(メチルセルロース)、溶媒(水)等を混合したものである。このスラリーSをドクターブレード法により薄く成形するグリーンシート製造装置80を図5に示す。
【0043】
グリーンシート製造装置80において、まず、スラリーSが貯蔵されたホッパー81から、キャリアシート82上にスラリーSが供給される。キャリアシート82はローラ83によって搬送されており、キャリアシート82上のスラリーSは、移動するキャリアシート82とドクターブレード84との間で延ばされ、所要の厚さに成形される。
【0044】
成形されたスラリーSは、さらにキャリアシート82によって搬送され、加熱処理を行う発泡槽85および加熱炉86を順次通過する。発泡槽85では高湿度雰囲気下にて加熱処理を行うので、スラリーSにひび割れを生じさせずに発泡剤を発泡させることができる。そして、発泡により空洞が形成されたスラリーSが加熱炉86にて乾燥されると、粒子間に空洞を形成している金属粉末が有機バインダによって接合された状態のグリーンシートGが形成される。
【0045】
このグリーンシートGを、キャリアシート82から取り外した後、図示しない真空炉にて脱脂・焼成することにより、有機バインダが取り除かれ、金属粉末同士が焼結して三次元網目構造となった発泡金属焼結シート(導電性多孔体)が得られる。
【0046】
このようにして形成された導電性多孔体を所定形状に切断したものと、セパレータ板12,52,62とをインサート部品としてインサート成形を行うことにより、導電性多孔体からなるガス拡散電極11,51,61とセパレータ板12,52,62と樹脂部13,53,63とを一体に備えたガス拡散層用部材10を製造することができる。
【0047】
ここで、ガス拡散層用部材10を製造するインサート成形について図6を参照して説明する。
まず、導電性多孔体(ガス拡散電極11,11)とセパレータ板12とを拡散接合により一体に固定してインサート部品Pとする。そして、このインサート部品Pを、図6に示す一対の型板70,71間に形成されたキャビティ72中に配置し、ランナ73からゲート74を通じて射出した溶融樹脂75をキャビティ72内に充填することにより、導電性多孔体からなるガス拡散電極11、セパレータ板12および樹脂枠13が一体となったガス拡散層用部材10が形成される。
なお、図6では触媒層31を表面部に形成されたガス拡散電極11を用いているが、この触媒層31は、必ずしもガス拡散電極11上に形成する必要はなく、電解質層20上に形成してもよく、またガス拡散電極11上に設ける場合にはインサート成形後に形成することもできる。
【0048】
また、ガス拡散層用部材50,60も前記と同様のインサート成形により製造することができる。
すなわち、導電性多孔体(ガス拡散電極51,61)とセパレータ板52,62とを拡散接合により一体に固定してインサート部品として、図6に示す一対の型板70,71間に形成されたキャビティ72中に配置し、ランナ73からゲート74を通じて射出した溶融樹脂75をキャビティ72内に充填することにより、導電性多孔体からなるガス拡散電極51,61、セパレータ板52,62および樹脂枠53,63が一体となったガス拡散層用部材50,60が形成される。
【0049】
以上のようにインサート成形で樹脂枠13,53,63が形成されることにより、ガス拡散電極11,51,61と樹脂枠13,53,63とは、ガス拡散電極11,51,61の側部に開口する気孔中、5μm〜1000μm程度の深さまで溶融樹脂が含浸して硬化し、強固に接合される。樹脂枠を貫通する各流路10a,10b,10c,10d,50a,50b,50c,50d,60a,60b,60c,60dやボルト挿通孔10e,50e,60eは、金型に設けたピン部材76により、この射出成形時に形成することができる。
【0050】
インサート成形では、たとえば樹脂枠13,53,63の材料にポリプロピレンを用いた場合、成形温度180℃、80kNで型締めし、成形圧250kg/cmで射出成形すると、複合金属多孔体10,50,60が得られる。
【0051】
なお、インサート成形によりガス拡散層用部材10,50,60を形成する場合、型閉時のキャビティ72の厚さ(型開閉方向の大きさ)は、インサート部品Pよりも若干小さくし、型閉時に型板70,71間でガス拡散電極11,51,61が3〜90%圧縮されるようにすると、ガス拡散電極11,51,61をキャビティ72に対して固定して射出樹脂圧によるずれを防止できるとともに、ガス拡散電極11,51,61の平坦度を向上させることができる。
【0052】
また、ガス拡散電極11,51,61は、気孔径や気孔率が小さすぎると溶融樹脂が気孔中に入り込めないのでアンカー効果が不十分となり、樹脂枠13,53,63との接合強度が十分に得られず、接合部で剥離する虞がある。一方、気孔径や気孔率が大きすぎると、強度が不足し、樹脂成形圧および樹脂硬化時の圧縮に耐えられず、変形してしまう。したがって、気孔径10μm〜2mm程度、気孔率40〜98%程度であるとよい。
一方、樹脂枠13,53,63を形成する樹脂材料の材質は、熱可塑性樹脂、エラストマーなど、射出成形可能な材質であればよいので、耐熱温度や硬度等を考慮し、用途に応じて適宜選択すればよい。
【0053】
なお、以上の参考例において示した各構成部材、その諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の実施形態への適用にあたっては、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求に基づき種々変更可能である。前記参考例では、4組の単セルを備えた燃料電池について説明したが、本発明は4組の単セルに限定されるものではなく、必要に応じてガス拡散層用部材10および電解質層20を積層すれば、高出力の燃料電池を得ることができる。
【0054】
また、前記参考例では、燃料や空気等の流体が各流路からガス拡散電極11,51,61の気孔中のみを通過して排出される構成としたが、ガス拡散電極11,51,61の気孔率が低かったり連通気孔が少なかったりすると、流路が狭くかつ面方向に長くなるため、流体の供給が困難になるおそれがある。そこで、本発明の実施形態では、前述した参考例と同様の構成を有しつつも、それ以外の特別な構成として、図7に示すようにセパレータ板40の両面に第3流路40a,40bとして溝形状を形成し、この第3流路40a,40b内に流体を流す構成とすることにより、ガス拡散電極11中の流路が厚さ方向の短いものとなるので、供給圧を高めなくても流体を円滑に供給することができる。また、燃料の供給圧を高めるポンプなどを設けてもよい。
【0055】
また、前記実施形態及び参考例では、セパレータの両面にガス拡散電極を設けたガス拡散層用部材10で複数の単セル30を形成したが、一方にのみガス拡散電極を設けたガス拡散層用部材50,60を、セパレータを背に貼り合わせて利用することもできる。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、強度の高いガス拡散層用部材の実現による部品点数の削減、取り扱い性の向上により、燃料漏れのおそれが小さく、構成が単純で、小型軽量かつ生産性のよい高性能な燃料電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態の前提となる参考例に係る燃料電池の要部を示す断面図である。
【図2】 図1におけるII−II線に沿う矢視図であり、本発明の参考例に係るガス拡散層用部材を示す平面図である。
【図3】 図1におけるIII−III線に沿う矢視図であり、本発明の参考例に係るガス拡散層用部材を示す平面図である。
【図4】 図1におけるIV−IV線に沿う矢視図であり、本発明の参考例に係るガス拡散層用部材を示す平面図である。
【図5】 図2から図4に示すガス拡散層用部材に用いられる導電性多孔体を製造に用いる装置の一例を示す模式図である。
【図6】 図2から図4に示すガス拡散層用部材を製造するインサート成形を示す模式断面図である。
【図7】 本発明の実施形態に係るガス拡散層用部材に用いるセパレータ板を示す平面図である。
【符号の説明】
10,50,60 ガス拡散層用部材
10a,10b,50a,50b,60a,60b 第1流路
10c,10d,50c,50d,60c,60d 第2流路
11,51,61 ガス拡散電極(導電性多孔体)
12,40,52,62 セパレータ板
13,53,63 樹脂枠
40a,40b 第3流路
20 電解質層
30 単セル
31 触媒層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, a gas diffusion layer member, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a polymer electrolyte fuel cell using an ion conductive solid polymer membrane as an electrolyte has been developed and attracts attention as a stationary power source for home use, a power source for an electric vehicle, or a power source for a small portable device. Usually, a polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a high voltage is obtained by connecting a plurality of single cells in series because the electromotive force generated by a pair of electrodes (single cells) is small.
[0003]
As one of the structures for sequentially connecting a plurality of unit cells, there is a so-called stack type fuel cell in which unit cells are stacked in the thickness direction (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-8-78028
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In such a stack type fuel cell, a separator plate is provided between the stacked single cells. This separator plate requires a groove for supplying fuel (hydrogen) and air (oxygen) to the gas diffusion layer. In order to provide this groove, the separator plate needs to have a certain thickness. For this reason, there exists a problem that size reduction and weight reduction of a fuel cell are prevented by the volume and weight of a separator plate.
[0006]
Furthermore, since a porous body such as a carbon sheet constituting the gas diffusion layer has a property that it has low strength and is easily deformed, there is a problem that it is difficult to handle and the manufacturing of the fuel cell is difficult.
[0007]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to realize a small and lightweight fuel cell excellent in productivity.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the present invention provides a gas diffusion layer member used in a polymer electrolyte fuel cell as follows.
  That is, the gas diffusion layer member of the present invention has a separator plate and a sheet-like gas diffusion electrode made of a conductive porous body having a three-dimensional network structure,A first flow path for allowing the first fluid to pass therethrough and a second flow path for allowing the second fluid to pass;A gas diffusion electrode is disposed on the surface of the separator plate. Then, the separator plate is formed with a third flow path for allowing the fluid to pass through the gas diffusion electrode so as to face the gas diffusion electrode, and a resin frame covering the periphery of the gas diffusion electrode and the separator plate, It is characterized by being provided integrally.
[0009]
There are two types of typical fuels used in polymer electrolyte fuel cells: hydrogen gas and aqueous methanol solution. When methanol aqueous solution is used, the fuel flowing through the conductive porous body is liquid. The part is conventionally called a gas diffusion layer. Here, including the case where liquid fuel is used, it is called a gas diffusion layer in accordance with conventional usage, and is not limited to gas fuel.
In addition, the resin material forming the resin frame is not limited to a so-called synthetic resin, and includes a rubber material such as an elastomer.
[0010]
  According to the gas diffusion layer member of the present invention, since the gas diffusion electrode serves as both the gas diffusion layer and the electrode, the number of parts can be reduced. In addition, since it is integrated with the resin frame, it is easy to handle, and the gas diffusion electrode is prevented from being damaged when manufacturing the fuel cell, so that a fuel cell with high productivity can be realized. Moreover, since the side surface of the gas diffusion electrode is covered with the resin frame, the open pores opened on the side surface are sealed, and fuel leakage can be effectively prevented. Furthermore, since a fluid (fuel, air, etc.) flow path is formed in the gas diffusion electrode of the conductive porous body, a thin separator plate can be used, and the fuel cell can be reduced in size and weight.Moreover, since the member for gas diffusion layers of this invention is provided with the 1st flow path for allowing the 1st fluid to pass through, and the 2nd flow path for allowing the 2nd fluid to pass through, this structure Thus, different fluids (fuel and air) can be passed from the outside of the gas diffusion layer member to each gas diffusion electrode to cause an electrode reaction.In the gas diffusion layer member of the present invention, the third flow path is formed in the separator plate as well as the flow path in the gas diffusion electrode, so that the flow path in the gas diffusion electrode is in the thickness direction. Thus, the fluid can be smoothly supplied without increasing the supply pressure. In addition, when the gas diffusion electrode has a low air permeability and it is difficult to supply or discharge fuel or oxygen only with the continuous air holes inside the porous body, the third flow path such as a groove formed on the surface of the separator plate is provided. It can be used to smoothly flow fluid, and the power generation amount in the fuel cell can be stabilized.
[0011]
  Further, the gas diffusion layer member of the present inventionInIt is preferable that the 1st and 2nd flow path is formed in the resin frame. Furthermore, it is more preferable that the first and second flow paths are provided through the resin frame connected to the gas diffusion electrode.
[0012]
ThisThese first and second flow paths are provided in various shapes, but if the formation location is a resin frame, it is easy to process and is generally more costly than being processed and formed into an electrically conductive porous body. It is advantageous in that the surface of the porous body related to the conductive efficiency of the electrode can be used effectively. Further, by providing the first and second flow paths through the resin frame, a flow path communicating in the thickness direction can be easily formed when a gas diffusion layer member is laminated to form a fuel cell. Thus, a fuel cell having a simple structure and high productivity can be realized.
[0013]
  further,The third flow path has a groove shape and is formed on both sides of the separator plate. The third flow path is formed on one side of the both surfaces and the third flow path is formed on the other side. Extend so as to be perpendicular to each otherIs preferable.
[0014]
The gas diffusion layer member of the present invention can be manufactured by insert molding in which a resin material is injected using a conductive porous body and a separator plate as insert parts.
By adopting insert molding, the molten resin enters and solidifies into pores that open on the surface of the conductive porous body at the portion where the conductive porous body (gas diffusion electrode) and the resin frame are connected. Due to the effect, the conductive porous body and the resin frame are firmly connected, and a gas diffusion layer member having high strength can be manufactured.
[0015]
  A polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is as defined in claim 1.4A plurality of gas diffusion layer members are stacked in the thickness direction, an electrolyte layer made of a solid polymer electrolyte is disposed between the gas diffusion layer members, and the electrolyte layer and each gas diffusion layer member A catalyst layer provided at the interface with the gas diffusion electrode is provided.
[0016]
With this configuration, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention can form a single cell with a simple component configuration in which an electrolyte layer and a catalyst layer are simply disposed between two gas diffusion layer members. . Further, if a plurality of gas diffusion layer members are stacked and an electrolyte layer is disposed between each member, a stack type fuel cell in which a plurality of single cells are stacked can be easily formed.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, embodiments of the present inventionReference examples on which to assumeWill be described with reference to the drawings.
  Figure 1 shows the bookReference exampleThe main part of the polymer electrolyte fuel cell using the gas diffusion layer members 10, 50, 60 is shown. This fuel cell has a so-called stack type structure in which four sets of single cells 30 are stacked, and an electrode reaction is caused by supplying fuel (for example, aqueous methanol solution) and air as an oxidant. Electric power can be generated.
[0018]
As shown in FIG. 1, the gas diffusion layer member 10 has a structure in which gas diffusion electrodes 11 and 11 and a separator plate 12 are laminated in the thickness direction, and a resin frame 13 covering the periphery in the surface direction is integrally formed. It has become. As shown in FIGS. 1 and 2, the gas diffusion layer member 10 includes first flow paths 10a and 10b for allowing the first fluid (fuel) to pass therethrough, and a second fluid (air). The second flow paths 10c and 10d for allowing the resin to pass therethrough are provided through the resin frame 13.
2 is a view taken along the line II-II in FIG. 1, and FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line II in FIG.
[0019]
The gas diffusion electrode 11 is a thin plate made of a conductive porous body having a three-dimensional network structure, and has a characteristic of being light and having a large surface area because it has air permeability due to pores opened in the surface communicating with each direction. have. This gas diffusion electrode 11 has a tab-shaped connection portion 11b, 11b for connecting to one of the first flow paths 10a, 10b and the second flow paths 10c, 10d at the end of a substantially rectangular electrode body 11a. It is the shape provided in.
[0020]
The gas diffusion electrodes 11 and 11 are arranged so that the electrode main body 11a overlaps and the connection portions 11b and 11b do not overlap each other. One of the first flow paths 10a and 10b and the second flow paths 10c and 10d penetrating the resin frame 13 is connected to the connection portion 11b. That is, different flow paths are connected to the gas diffusion electrode 11 at two connection portions 11b provided on the electrode body 11a.
[0021]
  Therefore, the fuel supplied to the first flow path 10a passes through the continuous vent hole of the gas diffusion electrode 11 and flows out to the first flow path 10b. In addition, the air supplied to the second flow path 10c passes through the continuous air holes of the gas diffusion electrode 11, and the second2It flows out to the channel 10d.
[0022]
The separator plate 12 does not pass air or fuel gas or liquid, and has conductivity, for example, a carbon plate or a corrosion-resistant metal plate, and more than an H-shape that overlaps at least the gas diffusion electrodes 11 and 11. Largely formed. And by arrange | positioning between the gas diffusion electrodes 11 and 11, the single cell 30 which each gas diffusion electrode 11 and 11 forms as shown in FIG. 1, preventing the distribution | circulation of the fluid between each electrode, as shown in FIG. Connected in series.
The gas diffusion electrode 11 and the separator plate 12 can be tightly fixed by diffusion bonding.
[0023]
The resin frame 13 is integrally provided so as to cover the periphery of the gas diffusion electrode 11, the separator plate 12, and the gas diffusion electrode 11 stacked in the thickness direction. It is the same surface connected to the surface. The resin frame 13 is formed in a substantially rectangular parallelepiped in which the gas diffusion electrode 11 and the separator plate 12 are embedded, and bolt insertion holes 10e penetrating in the thickness direction are provided at the four corners. Tie bolts for fixing a plurality of gas diffusion layer members 10 and electrolyte layers 20 when they are laminated in multiple layers can be inserted into the bolt insertion holes 10e.
[0024]
Further, gas diffusion layer members 50 and 60 are disposed on both end faces of the fuel cell, respectively.
As shown in FIGS. 1 and 3, the gas diffusion layer member 50 has a structure in which a gas diffusion electrode 51 and a separator plate 52 are laminated in the thickness direction, and a resin frame 53 covering the periphery in the surface direction is integrally formed. It has become. The gas diffusion layer member 50 has first flow paths 50a and 50b for allowing the first fluid (fuel) to pass through the gas diffusion electrode 51 and a second fluid (air). Second flow paths 50 c and 50 d are provided through the resin frame 53.
[0025]
The gas diffusion electrode 51 is a thin plate made of a conductive porous body having a three-dimensional network structure like the gas diffusion electrode 11, and has air permeability because pores opened on the surface communicate with each direction. The surface area is large. The gas diffusion electrode 51 has a shape in which connection portions 51b and 51b for connecting to either of the first flow paths 50a and 50b are provided in a tab shape at the end of a substantially rectangular electrode body 51a. Yes.
Therefore, the fuel supplied to the flow path 50a passes through the continuous vent of the gas diffusion electrode 51 and flows out to the flow path 50b.
[0026]
The separator plate 52 does not pass air or fuel gas or liquid as the separator plate 12 and has conductivity, such as a carbon plate or a corrosion-resistant metal plate, and covers at least the surface of the gas diffusion electrode 51. Is also formed large. The fluid is prevented from flowing from the gas diffusion electrode 51 to the outside of the battery by being disposed in contact with the gas diffusion electrode 51.
The gas diffusion electrode 51 and the separator plate 52 can be tightly fixed by diffusion bonding.
[0027]
The resin frame 53 is integrally provided so as to cover the periphery in the surface direction of the gas diffusion electrode 51 and the separator plate 52 stacked in the thickness direction, and one surface thereof is the same surface connected to the surface of the gas diffusion electrode 51. Yes. The resin frame 53 is formed in a substantially rectangular parallelepiped in which the gas diffusion electrode 51 and the separator plate 52 are embedded, and bolt insertion holes 50e penetrating in the thickness direction are provided at the four corners. The bolt insertion holes 50e can be inserted with tie bolts for fixing the gas diffusion layer members 10, 50 and the electrolyte layer 20 in multiple layers.
[0028]
Further, as shown in FIGS. 1 and 4, the gas diffusion layer member 60 is formed by laminating a gas diffusion electrode 61 and a separator plate 62 in the thickness direction, and integrally forming a resin frame 63 covering the periphery in the surface direction. It has a structure. The gas diffusion layer member 60 has first flow paths 60a and 60b for allowing the first fluid (fuel) to pass through the gas diffusion electrode 61 and a second fluid (air). Second flow paths 60 c and 60 d are provided through the resin frame 63.
[0029]
The gas diffusion electrode 61 is a thin plate made of a conductive porous body having a three-dimensional network structure like the gas diffusion electrodes 11 and 51, and has air permeability due to pores opening on the surface communicating in each direction. It has the characteristics of being lightweight and having a large surface area. The gas diffusion electrode 61 has a shape in which connection portions 61b and 61b for connecting to the second flow paths 60c and 60d are provided in a tab shape at the end of an approximately rectangular electrode body 61a.
Therefore, the air supplied to the flow path 60c passes through the continuous air holes of the gas diffusion electrode 61 and flows out to the flow path 60d.
[0030]
Like the separator plates 12 and 52, the separator plate 62 does not pass air or fuel gas or liquid, and has conductivity, such as a carbon plate or a corrosion-resistant metal plate, and at least the surface of the gas diffusion electrode 61. It is larger than it covers. The fluid is prevented from flowing from the gas diffusion electrode 61 to the outside of the battery by being disposed in contact with the gas diffusion electrode 61.
The gas diffusion electrode 61 and the separator plate 62 can be closely fixed by diffusion bonding.
[0031]
The resin frame 63 is integrally provided so as to cover the periphery in the surface direction of the gas diffusion electrode 61 and the separator plate 62 stacked in the thickness direction, and one surface thereof is the same surface connected to the surface of the gas diffusion electrode 61. Yes. The resin frame 63 is formed in a substantially rectangular parallelepiped in which the gas diffusion electrode 61 and the separator plate 62 are embedded, and bolt insertion holes 60e penetrating in the thickness direction are provided at the four corners. When the plurality of gas diffusion layer members 10, 50, 60 and the electrolyte layer 20 are laminated in multiple layers, tie bolts for fixing them can be inserted into the bolt insertion hole 60e.
[0032]
In the fuel cell shown in FIG. 1, the electrolyte layer 20 disposed in close contact with the gas diffusion electrodes 11, 51, 61 of the gas diffusion layer members 10, 50, 60 is formed of, for example, a fluororesin polymer electrolyte membrane. Is done. The electrolyte layer 20 has the property of preventing electrons from passing through while the hydrogen ions can move in the film. The electrolyte layer 20 includes the first flow paths 10a, 10b, 50a, 50b, 60a, 60b and the second flow paths 10c, 10d, 50c, 50d, when overlapped with the gas diffusion layer members 10, 50, 60. A through hole 20a communicating with 60c, 60d is formed.
[0033]
  The interface between the electrolyte layer 20 and the gas diffusion electrodes 11, 51, 61 of the gas diffusion layer members 10, 50, 60 (thisReference exampleThen, the catalyst layer 31 is provided on the surface side of the gas diffusion electrodes 11, 51, 61.
  The catalyst layer 31 is formed by applying a polymer electrolyte solution containing carbon particles carrying platinum-based catalyst fine particles to the surfaces of the gas diffusion electrodes 11, 51, 61. The catalyst layer 31 and the electrolyte layer 20 can be tightly fixed by hot pressing. Further, the electrolyte layer 20 and the resin portions 13, 53, 63 of the gas diffusion layer members 10, 50, 60 can be tightly fixed by ultrasonic bonding.
  The catalyst layer 31 only needs to be interposed between the electrolyte layer 20 and the gas diffusion electrodes 11, 51, 61.Reference exampleThen, although provided in the surface part of the gas diffusion electrodes 11, 51, 61, it can also be formed in the surface part of the electrolyte layer 20.
[0034]
In the fuel cell shown in FIG. 1, the gas diffusion layer members 10, 50, 60 described above and the electrolyte layer 20 disposed therebetween are stacked, and gas diffusion is performed by using both sides as shielding plates having no air permeability and conductivity. It has the structure closed with the separator plates 52 and 62 with which the members 50 and 60 for layers were equipped. The gas diffusion layer members 10, 50, 60, which are an integral part of the resin frames 13, 53, 63, are easy to handle and are not easily damaged. Therefore, waste due to damage is less likely to occur, and handling by an automatic machine is easy. A good fuel cell can be realized.
[0035]
In this fuel cell, the fuel-side supply path F formed by connecting the gas diffusion layer members 10, 50, 60 and the electrolyte layer 20 so that the first flow paths 10a, 50a, 60a and the through-holes 20a communicate with each other. A fuel-side discharge passage (not shown) formed by communication between the first flow paths 10b, 50b, 60b and the through hole 20a, and the second flow paths 10c, 50c, 60c and the through hole 20a. The formed air side supply path A and an air side discharge path (not shown) formed by communicating the second flow paths 10d, 50d, 60d and the through hole 20a are formed.
[0036]
In this fuel cell, when fuel (methanol aqueous solution here) is fed from the fuel side supply path F, the fuel is supplied to the gas diffusion electrodes (fuel electrodes) 11 and 51 through the first flow paths 10a, 50a and 60a. While this fuel passes through the gas diffusion electrodes 11 and 51, hydrogen in the fuel is ionized by a catalytic reaction on the interface of the catalyst layer 31, and the remaining fluid (unreacted portions) flows into the first flow paths 10b and 50b. It is discharged from the fuel side discharge path.
[0037]
On the other hand, air is supplied from the air-side supply path A to the gas diffusion electrodes (air electrodes) 11 and 61 facing the fuel electrodes 11 and 51 through the second flow paths 10c, 50c, and 60c. Hydrogen ionized by the fuel electrodes 11 and 51 moves through the electrolyte layer 20 to reach the air electrodes 11 and 61, and reacts with oxygen in the air on the interface of the catalyst layer 31 of the air electrodes 11 and 61 by the electrode reaction. To produce water. This water is discharged from the air-side discharge path through the second flow paths 10d and 60d. Further, residual gas (unreacted part) of the air after the electrode reaction is also discharged from the air side discharge path through the second flow paths 10d and 60d.
[0038]
Electrons generated by the ionization of hydrogen move from the fuel electrode (gas diffusion electrode) 11 to the air electrode (gas diffusion electrode) 11 through the separator plate 12. By this movement of electrons, the fuel cell can generate electric energy with the fuel electrode 51 as an anode and the air electrode 61 as a cathode.
[0039]
By the way, the gas diffusion electrodes 11, 51, 61 are sheet-like members that serve both as a gas diffusion layer and a current collector plate by providing air permeability and conductivity by a three-dimensional network structure in this polymer electrolyte fuel cell. . As the conductive porous body forming the gas diffusion electrodes 11, 51, 61, a carbon porous body such as carbon paper or carbon cloth may be used, but a three-dimensional network having both good gas diffusibility and conductivity. It is desirable to use a metal having a structure, for example, a sheet obtained by sintering metal powder, a metal nonwoven fabric, a laminated mesh, or the like. Especially, the sheet | seat which sintered the metal powder which can adjust porosity and thickness suitably and can use the various raw material metals is more suitable as a conductive porous body of this member for gas diffusion layers.
[0040]
  Furthermore, a foamed metal sintered sheet obtained by mixing a metal powder with a binder and a solvent and kneading it into a foaming slurry by mixing with a foaming agent and sintering it after foam molding can be manufactured to a high porosity. This is more preferable.
  BookReference exampleEmploys a foamed metal sintered sheet in which the porosity and thickness can be adjusted as appropriate, and the raw metal that can be used is also diverse.
[0041]
Here, the manufacturing method of a metal foam sintered sheet is demonstrated with reference to FIG.
The foamed metal sintered sheet is obtained by mixing a metal powder with a binder and a solvent and kneading the mixture to form a foamable slurry S by mixing a foaming agent and sintering after foam molding.
[0042]
The slurry S is a mixture of conductive metal powder, foaming agent (hexane), organic binder (methyl cellulose), solvent (water), and the like. FIG. 5 shows a green sheet manufacturing apparatus 80 for thinly forming the slurry S by the doctor blade method.
[0043]
In the green sheet manufacturing apparatus 80, first, the slurry S is supplied onto the carrier sheet 82 from the hopper 81 in which the slurry S is stored. The carrier sheet 82 is conveyed by a roller 83, and the slurry S on the carrier sheet 82 is extended between the moving carrier sheet 82 and the doctor blade 84, and formed to a required thickness.
[0044]
The formed slurry S is further conveyed by a carrier sheet 82 and sequentially passes through a foaming tank 85 and a heating furnace 86 that perform heat treatment. Since the heat treatment is performed in the high-humidity atmosphere in the foaming tank 85, the foaming agent can be foamed without causing the slurry S to crack. Then, when the slurry S in which cavities are formed by foaming is dried in the heating furnace 86, the green sheet G in a state where the metal powder forming the cavities between the particles is bonded by the organic binder is formed.
[0045]
The green sheet G is removed from the carrier sheet 82, and then degreased and fired in a vacuum furnace (not shown) to remove the organic binder and sinter metal powders to form a three-dimensional network structure. A sintered sheet (conductive porous body) is obtained.
[0046]
A gas diffusion electrode 11 made of a conductive porous body is formed by performing insert molding with the conductive porous body formed in this way cut into a predetermined shape and the separator plates 12, 52, 62 as insert parts. Thus, the gas diffusion layer member 10 including 51, 61, the separator plates 12, 52, 62, and the resin portions 13, 53, 63 can be manufactured.
[0047]
Here, insert molding for producing the gas diffusion layer member 10 will be described with reference to FIG.
First, the conductive porous body (gas diffusion electrodes 11, 11) and the separator plate 12 are integrally fixed by diffusion bonding to form an insert part P. And this insert part P is arrange | positioned in the cavity 72 formed between a pair of template 70,71 shown in FIG. 6, and the molten resin 75 inject | poured through the gate 74 from the runner 73 is filled in the cavity 72. FIG. Thus, the gas diffusion layer member 10 in which the gas diffusion electrode 11 made of a conductive porous body, the separator plate 12 and the resin frame 13 are integrated is formed.
Although the gas diffusion electrode 11 having the catalyst layer 31 formed on the surface portion is used in FIG. 6, the catalyst layer 31 is not necessarily formed on the gas diffusion electrode 11 and is formed on the electrolyte layer 20. Alternatively, when it is provided on the gas diffusion electrode 11, it can be formed after insert molding.
[0048]
The gas diffusion layer members 50 and 60 can also be manufactured by insert molding similar to the above.
That is, the conductive porous body (the gas diffusion electrodes 51 and 61) and the separator plates 52 and 62 are integrally fixed by diffusion bonding and formed as an insert part between the pair of mold plates 70 and 71 shown in FIG. The molten resin 75 disposed in the cavity 72 and injected from the runner 73 through the gate 74 is filled into the cavity 72, whereby the gas diffusion electrodes 51 and 61, separator plates 52 and 62, and the resin frame 53 made of a conductive porous body are filled. , 63 are formed as gas diffusion layer members 50, 60.
[0049]
By forming the resin frames 13, 53, 63 by insert molding as described above, the gas diffusion electrodes 11, 51, 61 and the resin frames 13, 53, 63 are located on the gas diffusion electrodes 11, 51, 61 side. In the pores opened in the part, the molten resin is impregnated to a depth of about 5 μm to 1000 μm, hardened, and firmly joined. The flow paths 10a, 10b, 10c, 10d, 50a, 50b, 50c, 50d, 60a, 60b, 60c, 60d and the bolt insertion holes 10e, 50e, 60e penetrating the resin frame are pin members 76 provided in the mold. Thus, it can be formed at the time of this injection molding.
[0050]
In insert molding, for example, when polypropylene is used as the material of the resin frames 13, 53, 63, the mold is clamped at a molding temperature of 180 ° C. and 80 kN, and a molding pressure of 250 kg / cm.2When injection molding is performed, composite metal porous bodies 10, 50, 60 are obtained.
[0051]
When the gas diffusion layer members 10, 50, 60 are formed by insert molding, the thickness of the cavity 72 (size in the mold opening / closing direction) when the mold is closed is slightly smaller than that of the insert part P, and the mold is closed. When the gas diffusion electrodes 11, 51, 61 are sometimes compressed by 3 to 90% between the mold plates 70, 71, the gas diffusion electrodes 11, 51, 61 are fixed with respect to the cavity 72 and are displaced by the injection resin pressure. Can be prevented, and the flatness of the gas diffusion electrodes 11, 51, 61 can be improved.
[0052]
Further, if the gas diffusion electrodes 11, 51, 61 are too small in pore diameter or porosity, the molten resin cannot enter the pores, so that the anchor effect is insufficient, and the bonding strength with the resin frames 13, 53, 63 is low. There is a risk that it will not be sufficiently obtained and will peel off at the joint. On the other hand, if the pore diameter and the porosity are too large, the strength is insufficient, the resin molding pressure and the compression at the time of resin curing cannot be endured, and the shape is deformed. Therefore, the pore diameter is preferably about 10 μm to 2 mm and the porosity is about 40 to 98%.
On the other hand, the material of the resin material forming the resin frames 13, 53, 63 may be any material that can be injection-molded, such as a thermoplastic resin and an elastomer. Just choose.
[0053]
  In addition, the aboveReference exampleEach component shown in FIG. 1, its shape and combination are examples,In applying to the embodiment of the present invention,Various modifications can be made based on design requirements without departing from the spirit of the present invention. SaidReference exampleThe fuel cell having four sets of single cells has been described, but the present invention is not limited to four sets of single cells, and the gas diffusion layer member 10 and the electrolyte layer 20 may be laminated as necessary. Thus, a high output fuel cell can be obtained.
[0054]
  Also, the aboveReference exampleIn the configuration, fluid such as fuel or air is discharged from each flow path only through the pores of the gas diffusion electrodes 11, 51, 61. However, the porosity of the gas diffusion electrodes 11, 51, 61 is low. If there are few continuous vents, the flow path becomes narrow and long in the surface direction, so there is a risk that it may be difficult to supply fluid.Therefore, in the embodiment of the present invention, while having the same configuration as the reference example described above, as a special configuration other than that,As shown in FIG. 7, a groove shape is formed as the third flow paths 40a and 40b on both surfaces of the separator plate 40, and the fluid flows through the third flow paths 40a and 40b.BySince the flow path in the gas diffusion electrode 11 is short in the thickness direction, the fluid can be smoothly supplied without increasing the supply pressure. In addition, a pump for increasing the fuel supply pressure may be provided.
[0055]
  In addition, the embodimentAnd reference examplesThen, the plurality of single cells 30 are formed by the gas diffusion layer member 10 provided with the gas diffusion electrodes on both sides of the separator, but the gas diffusion layer members 50 and 60 provided with the gas diffusion electrode only on one side are replaced with the separator. It can also be attached to the back.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is less risk of fuel leakage due to the reduction of the number of parts and the improvement of handling by realizing a high-strength gas diffusion layer member. A high-performance fuel cell with good characteristics can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the present invention.Reference example that is the premise of this embodimentIt is sectional drawing which shows the principal part of the fuel cell which concerns on.
FIG. 2 is an arrow view taken along line II-II in FIG.Reference exampleIt is a top view which shows the member for gas diffusion layers which concerns on.
3 is an arrow view taken along line III-III in FIG.Reference exampleIt is a top view which shows the member for gas diffusion layers which concerns on.
FIG. 4 is an arrow view along the line IV-IV in FIG.Reference exampleIt is a top view which shows the member for gas diffusion layers which concerns on.
FIG. 5 is shown in FIGS. 2 to 4SugaIt is a schematic diagram which shows an example of the apparatus which uses the electroconductive porous body used for the member for gas diffusion layers for manufacture.
FIG. 6 is shown in FIGS. 2 to 4SugaIt is a schematic cross section which shows insert molding which manufactures the member for gas diffusion layers.
FIG. 7The fruitIt is a top view which shows the separator board used for the member for gas diffusion layers which concerns on embodiment.
[Explanation of symbols]
  10, 50, 60 Gas diffusion layer member
  10a, 10b, 50a, 50b, 60a, 60b 1st flow path
  10c, 10d, 50c, 50d, 60c, 60d Second flow path
  11, 51, 61 Gas diffusion electrode (conductive porous body)
  12, 40, 52, 62 Separator plate
  13, 53, 63 Resin frame
  40a, 40b 3rd flow path
  20 Electrolyte layer
  30 single cells
  31 catalyst layer

Claims (6)

セパレータ板と、該セパレータ板の表面に接する、三次元網目構造を有する導電性多孔体からなるシート状のガス拡散電極とを有するガス拡散層用部材であって、
前記ガス拡散層用部材に、第1の流体を通過させるための第1流路と、第2の流体を通過させるための第2流路とが設けられており、
前記セパレータ板の少なくとも一方の面に前記ガス拡散電極が配置され、
前記セパレータ板に、前記ガス拡散電極に流体を通過させるための第3流路が該ガス拡散電極に対向するように形成されており、
これらガス拡散電極およびセパレータ板の周囲を覆う樹脂枠が一体に設けられていることを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材。
A gas diffusion layer member having a separator plate and a sheet-like gas diffusion electrode made of a conductive porous body having a three-dimensional network structure in contact with the surface of the separator plate,
The gas diffusion layer member is provided with a first flow path for allowing the first fluid to pass therethrough and a second flow path for allowing the second fluid to pass,
The gas diffusion electrode is disposed on at least one surface of the separator plate;
The separator plate is formed with a third flow path for allowing fluid to pass through the gas diffusion electrode so as to face the gas diffusion electrode,
A member for a gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell, wherein a resin frame covering the periphery of the gas diffusion electrode and the separator plate is integrally provided.
前記第1および第2流路が、前記樹脂枠に形成されていることを特徴とする請求項に記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材。The member for a gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 , wherein the first and second flow paths are formed in the resin frame. 前記第1および第2流路が、前記ガス拡散電極に接続し前記樹脂枠を貫通していることを特徴とする請求項に記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材。The member for a gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell according to claim 2 , wherein the first and second flow paths are connected to the gas diffusion electrode and penetrate the resin frame. 前記第3流路は溝形状をなして前記セパレータ板の両面にそれぞれ形成されており、
前記両面のうち一方の面に形成された第3流路と他方の面に形成された第3流路とが、互いに垂直となるように延びていることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のガス拡散層用部材。
The third flow path has a groove shape and is formed on both sides of the separator plate,
A third passage formed in the third flow path and the other surface formed on one surface of the both sides of claims 1 to 3, characterized in that extends so as to be perpendicular to each other The member for gas diffusion layers in any one.
前記導電性多孔体および前記セパレータ板をインサート部品として樹脂材料を射出するインサート成形により、請求項1からのいずれかに記載の前記ガス拡散層用部材を製造することを特徴とする固体高分子型燃料電池用のガス拡散層用部材の製造方法。The solid polymer, wherein the gas diffusion layer member according to any one of claims 1 to 4 is manufactured by insert molding in which a resin material is injected using the conductive porous body and the separator plate as insert parts. For producing gas diffusion layer member for fuel cell. 請求項1からのいずれかに記載のガス拡散層用部材が厚さ方向に複数枚重ねられ、各ガス拡散層用部材間に固体高分子電解質からなる電解質層が配置されているとともに、該電解質層と各ガス拡散層用部材の前記ガス拡散電極との界面に設けられた触媒層を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。A plurality of gas diffusion layer members according to any one of claims 1 to 4 are stacked in the thickness direction, and an electrolyte layer made of a solid polymer electrolyte is disposed between the gas diffusion layer members, A solid polymer fuel cell comprising a catalyst layer provided at an interface between an electrolyte layer and the gas diffusion electrode of each gas diffusion layer member.
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